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1Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3 Magnetismus
Ein Magnetfeld wird erzeugt durch:• Permanentmagnet (mikroskopische Ursache: Eigendrehimpuls = Spin der Elektronen)
• Strom (bewegte Ladung)(-> sh. Versuch Kompassnadel neben Strom durchflossenem Draht)
• zeitlich veränderliches elektrisches Feld
• Es gibt keine magnetischen Monopole (d.h. es wurden noch keine beobachtet)
Magnetit (Fe3O4) Kernspintomographie = Magnetresonanztomographie
Magnetare/Neutronensterne
Sonne λ= 284Å
• 2 magnetische Pole: Nord (zeigt nach S) und Süd (zeigt nach N); Feldlinien laufen von N nach S
• gleichnamige Pole stoßen sich ab - ungleichnamige Pole ziehen sich an
• Kräfte nehmen mit dem Abstand ab
2Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Magnetfeldum stromdurchflossenen
Draht
I
B-
Magnetfeld um stromführenden Drahtder zu einer Schleife gebogen ist
I
BN
S
Magnetfeld einesPermanentmagneten
Grundtypen magnetischer Felder
Magnetfeld einerlangen Spule
3Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Magnetfeld eines ElektronsUrsache: Eigendrehimpuls(Spin)des Elektrons
Drehachse
Magnetfeld eines Protons(Neutrons, Atomkerns)
Drehachse
Magnetfeld um stromführenden Drahtder zu einer Schleife gebogen ist
I
B
4Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
I
BDas Erdmagnetfeld
Computersimulation des Erdmagnetfelds
6Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Wanderung des magnetischen Nordpols
Das Erdmagnetfeld polt sich ca. alle 250.000 Jahre um.Die letzte Umpolung fand allerdings schon vor 780.000 Jahren statt.
7Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.1 Stärke des Magnetfeldes
Nicola Tesla 1856-1943
Erdmagnetfeld ca. 10-4T = 1 G (Gauss)Kernspintomographie ca. 1-9TATLAS Detektor (LHC) 2TStärkste Magnetfelder im Labor ca. 45TMagnetfeld in Atomen ca. 10TMagnetfeld an der Oberflächeeines Neutronensterns ca. 108T
8Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Vorgehensweise
() Ruhende Ladungsverteilungerzeugt E-Feldin der Umgebung.
() Das E-Feld übt auf jede andereLadung q in diesem Feldeine Kraft F = qE aus.
() Eine bewegte Ladung (Strom!)erzeugt B-Feldin der Umgebung.
() Das B-Feld übt auf jede anderebewegte Ladung (Strom)in diesem Feldeine Kraft F aus.
E-Feld B-Feld
9Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2 Kräfte im Magnetfeld3.2.1 Kraft auf bewegte Ladung im Magnetfeld
x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x
Magnetfeld in Bildebene hinein
Rechte Hand Regel
10Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.2 Magnetische Feldlinien und magnetischer Fluss
11Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.3 Bewegung von Ladungen im Magnetfeld
x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x
x x x x x
Geladenes Teilchen (q < 0)
+
vF
LHC (Cern)
12Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.3 Bewegung von Ladungen im Magnetfeld
13Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch Fadenstrahlrohr: 1. Geschwindigkeit genau senkrechtzum Magnetfeld:Kreisbahn
2. Geschwindigkeit schräg zumMagnetfeld:Schraubenlinie
14Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.3 Bewegung von Ladungen im Magnetfeld
Sonnenwind =Teilchen (Protonen, Elektronen, He-Kerne)von der Sonne
Erdmagnetfeld
Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner V5 15.01.2007
16Polarlicht(Aurora Borealis,
Aurora Australis)
Experimentalphysik I/II für Studierende der Biologie und Zahnmedizin Caren Hagner V5 15.01.2007
17
Polarlicht über der Erde (gesehen vom Space Shuttle Discovery)
18Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.4 Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
19Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
20Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.5 Der Hall Effekt
21Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Wiederholung: Kräfte im Magnetfeld
Kraft auf bewegte Ladung: ( )BvqFrrr
×=
Bahn bewegter Ladung im Magnetfeld:
homogen , BBvrrr
⊥
Bqmvr =
homogen Br
inhomogen Br
Kraft auf stromdurchflossenen Leiter: ( )BLIFrrr
×=
22Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Nachweis von Elementarteilchen in der Teilchenphysik(CMS Detektor bei LHC)
Beispiel für Teilchenbahnen im Magnetfeld:
23Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.6 Magnetischer Dipol im Magnetfeld
a) Magnetisches Dipolmoment
24Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.6 Magnetischer Dipol im Magnetfeldb) Leiterschleife (Dipol) in homogenem B-Feld
25Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.2.6 Magnetischer Dipol im Magnetfeldc) Dipol in inhomogenem B-Feld
26Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Anwendung: Elektromotor (Gleichstrom)
Galvanometer
Anwendung: Drehspulinstrument
27Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
28Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Weitere Beispiele für Gleichstrommotoren: Scheibenläufermotor Barlowsches Rad
Einsatzgebiet z.B. Elektrofahrzeuge
Modell
29Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3 Quellen des magnetischen Feldes3.3.1 Feld einer bewegten Ladung
30Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.2 Feld eines stromführenden Leiters
31Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.3 Feld eines geraden Leiters
a) Magnetfeld eines geraden Leiters (Länge 2a) im Abstand r:
b) Magnetfeld eines unendlich langen, geraden Leiters im Abstand r:
32Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Wiederholung
Feld einer bewegten Ladung:2
0 )(4 r
evqB rrrr ×
⋅=πμ
Feld eines stromdurchflossenen Leiters(Gesetz von Biot-Savart): ∫
×⋅= 2
0 )(4 r
eldIB rrr
r
πμ
Feld eines stromdurchflossenen, geraden Leitersim Punkt P (x, 0, 0), mit I=(0,I,0):
xx
y
+a
-az
P
),0,0()0,0,( zBxB =r
220 2
4 axxaIBz+
⋅−=π
μI
Feld eines stromdurchflossenen, unendlich langen, geraden Leiters:(Richtung mit Rechte-Hand-Regel)
rIrB
πμ2
)( 0=
33Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.3 Feld eines geraden Leiters
c) Kraft zwischen zwei stromführenden Drähten
34Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch: Messung der Kraft zwischen stromführenden Drähten
Strommessung
KraftmessungStromquelle
35Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.4 Feld einer kreisförmigen Leiterschleife (magnetischer Dipol)
36Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Fernfeld des magnetischen Dipols:
37Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
38Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
39Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.5 Amperesches Gesetz
40Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Zusammenfassung: Integralsätze für statische elektrische und magnetische Felder
41Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.6 Anwendungen des Ampereschen Gesetzesa) Magnetfeld im Inneren eines leitenden Zylinders
Koaxialkabel:
42Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.6 Anwendungen des Ampereschen Gesetzes
b) Magnetfeld im Inneren eines Solenoids
43Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
CMS Solenoid (LHC Cern)
44Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.3.6 Anwendungen des Ampereschen Gesetzesc) Magnetfeld im Inneren eines toroidalen Solenoids
45Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Wiederholung
Amperesches Gesetz: ∫ =C
sseneingeschloIldB 0μrr
Feld eines Solenoids: ILNBinnen 0μ=
0≈aussenB
(annähernd homogen)
46Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.4 Magnetische Felder in Materie3.4.1 Der Magnetisierungsvektor
47Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.2 Magnetisierung von Materie
48Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.3 Magnetische Eigenschaften von Materialien
49Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.3 Magnetische Eigenschaften von Materialien
a) Diamagnetismus pyrolytisches Graphit
50Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Kraft auf diamagnetischen Körper in inhomogenem Feld:
Beim Diamagneten ist das resultierende magnetische Momentdem erzeugenden Feld entgegen gerichtet.Deshalb wird ein Diamagnet von einem Permanentmagnetenimmer abgestoßen (egal wierum dieser gepolt ist).
Tritt auf wenn das magnetische Feld groß genug ist, um die Gravitationskraft auszugleichen.
51Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Diamagnetische Levitation:Hochfeldlabor Nijmegen erzeugt Magnetfelder von 16T:
( Die mpeg movies finden Sie unter http://www.hfml.ru.nl/levitation-movies.html )
Beispiele verschiedener „Diamagneten“,die im starken Magnetfeld (16T)schweben.
Wassertropfen
52Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
b) Paramagnetismus
53Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
c) Ferromagnetismus
Magnetische Domänen (helle Flecke) in der Filmstruktur einer Festplatte. (PTB)
Magnetisierung eines ultrdünnen Eisenfilms (blau: aufwärts, rot: abwärts). Aufgenommen mit Hilfe vonSynchrotronstrahlung (BESSY)
54Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Zusammenhang zwischem M und H bei Ferromagneten:
55Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch:
56Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Versuch: Hörbarmachen von Barkhausen Sprüngen
Ni – Plättchen, hängt in der Spule. Durch Annäherung des Magnetensteigt die Magnetisierung des Plättchens an. Die Weißschen Bezirke wachsenund klappen dann sehr schnell um. Das magnetisierte Ni-Plättchen erzeugt selbstein Magnetfeld. Wenn die Weißschen Bezirke „umklappen“ (Barkhausen-Sprünge)ändert sich dieses Magnetfeld. Dies führt zu einem Stromstoß in der Spule (sh. Kapitel 4 Induktion). Der Stromstoß wird verstärkt und mittels Lautsprecher hörbar gemacht.
U
Visualisierung von Barkhausen Sprüngen (Uni HH, AG Wiesendanger)
mehr Infos auch auf: http://www.sfb668.de/
58Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Wiederholung
Magnetfeld in Materie: ( )MHBrrr
+= 0μ
freijHrr
=
LaengeenstromOberflaech== magjM
rr
HMrr
⋅= χ
( ) HHHBrrrr
⋅=+= μμχμ 00 χμ += 1
freiC
IldH =∫rr
Diamagnetismus: 1,0 <<< χχ induziertes Dipolmoment
Paramagnetismus: 1,0 <<> χχ permanentes Dipolmoment
Ferromagnetismus: 1,0 >>> χχ permanente Dipolmomenteund Austauschwechselwirkung.Kollektives Phänomen
59Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Der schwebende Supraleiter (idealer Diamagnet)
Magnet
Supraleiter
B
Magnet
Bind
60Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
d) Antiferromagnetismus und FerrimagnetismusAntiferromagnetismus Ferromagnetismus
61Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.4 Integralsätze für Magnetfelder in Materie
62Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
3.4.4 Integralsätze für Magnetfelder in Materie
Magnetfelder an Grenzflächen (Stetigkeitsverhalten):
63Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Anwendung: Ringmagnet mit Luftspalt
64Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
65Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
66Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Magnetfelder in Hohlräumen:
67Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
c) Magnetfeld in Hohlkugel BaBi
(senkrecht zur Kugelfläche) (parallel zur Kugelfläche)
68Caren Hagner / PHYSIK 2 / Wintersemester 2008/2009 Kapitel 3: Magnetismus /
Zusammenfassung: Integralsätze für statische Felder (E,B) in Materie
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